Введение
Силы, деформации или ускорения, приложенные к конструкции или ее элементам. Структурная нагрузка или структурное воздействие – это сила, деформация или ускорение, приложенные к конструктивным элементам. Нагрузка вызывает напряжения, деформации и перемещения в конструкции. Структурный анализ, как область инженерных знаний, анализирует влияние нагрузок на конструкции и конструктивные элементы. Превышающая допустимую нагрузка может привести к разрушению конструкции, поэтому ее необходимо учитывать и контролировать при проектировании. Особые механические конструкции, такие как самолеты, спутники, ракеты, космические станции, корабли и подводные лодки, подвергаются специфическим структурным нагрузкам и воздействиям. Инженеры часто оценивают структурные нагрузки на основе опубликованных норм, контрактов или технических условий. Для приемочных испытаний и инспекций используются общепринятые технические стандарты.
A structural load or structural action is a force, deformation, or acceleration applied to structural elements. A load causes stress, deformation, and displacement in a structure. Structural analysis, a discipline in engineering, analyzes the effects of loads on structures and structural elements. Excess load may cause structural failure, so this should be considered and controlled during the design of a structure. Particular mechanical structures—such as aircraft, satellites, rockets, space stations, ships, and submarines—are subject to their own particular structural loads and actions. Engineers often evaluate structural loads based upon published regulations, contracts, or specifications. Accepted technical standards are used for acceptance testing and inspection.
Типы
В гражданском строительстве, расчетные нагрузки являются наиболее точной оценкой фактических нагрузок, которые конструкция предположительно будет нести. Эти нагрузки могут быть разнообразными, такими как люди, оборудование, транспортные средства, ветер, дождь, снег, землетрясения, вес самих строительных материалов и т.д. Расчетные нагрузки также часто называют характеристическими. Здания подвергаются воздействию нагрузок из различных источников. Основные из них классифицируются как временные нагрузки (нагрузки, которые не всегда присутствуют в конструкции), постоянные нагрузки (нагрузки, которые являются постоянными и неподвижными, за исключением случаев перепроектирования или реконструкции) и ветровые нагрузки, как описано ниже. В некоторых случаях конструкции могут испытывать и другие нагрузки, например, от землетрясений или давления удерживаемых материалов. Ожидаемое максимальное значение каждой из этих нагрузок называется характеристической нагрузкой. Постоянные нагрузки – это статические силы, которые остаются относительно неизменными в течение длительного времени. Они могут быть растягивающими или сжимающими. Этот термин может относиться как к методу лабораторных испытаний, так и к обычному использованию материала или конструкции. Временные нагрузки обычно являются переменными или подвижными. Они могут иметь значительный динамический компонент и учитывать такие факторы, как удар, импульс, вибрация, гидродинамика жидкостей и т.д. Ударная нагрузка – это нагрузка, время приложения которой к материалу меньше одной трети его естественного периода колебаний. Циклические нагрузки на конструкцию могут привести к усталостному разрушению, кумулятивному повреждению или поломке. Эти нагрузки могут быть результатом многократных воздействий или вибрации. Нагрузки от использования связаны с эксплуатацией здания; их величина определена менее точно и обычно зависит от назначения здания.
Нагрузки на архитектурные и инженерно-строительные сооружения
Структурные нагрузки являются важным аспектом при проектировании зданий. Строительные нормы и правила требуют, чтобы конструкции проектировались и строились с обеспечением безопасного сопротивления всем воздействиям, которым они могут подвергаться в течение всего срока эксплуатации, сохраняя при этом свою функциональность. Минимальные нагрузки или воздействия устанавливаются в этих строительных нормах для различных типов конструкций, географических местоположений, назначения и строительных материалов. Структурные нагрузки классифицируются по причинам их возникновения. Что касается фактической нагрузки на конструкцию, то разницы между постоянной и временной нагрузкой нет, однако такое разделение применяется для расчетов безопасности или упрощения анализа сложных моделей. Для обеспечения соответствия требованию о том, что расчетная прочность должна превышать максимальные нагрузки, строительные нормы предписывают увеличение нагрузок при проектировании с использованием коэффициентов надёжности по нагрузке. Эти коэффициенты приблизительно представляют собой отношение теоретической расчетной прочности к максимальной нагрузке, ожидаемой при эксплуатации. Они разрабатываются для достижения необходимого уровня надёжности конструкции на основе вероятностных исследований, учитывающих причину возникновения нагрузки, частоту её повторения, распределение и статический или динамический характер.
Неработающая нагрузка
Неподвижная нагрузка включает в себя нагрузки, которые относительно постоянны во времени, включая вес самой конструкции и неподвижно закреплённые элементы, такие как стены, гипсокартон или ковровое покрытие. Крыша также является неподвижной нагрузкой. Неподвижные нагрузки также известны как постоянные или статические нагрузки. Строительные материалы не становятся неподвижной нагрузкой, пока не будут установлены в постоянном положении. IS875 (часть 1) 1987 предоставляет данные об удельном весе строительных материалов, деталей и компонентов.
Живая нагрузка
Живые нагрузки, или наложенные нагрузки, являются временными, кратковременными или перемещающимися. Эти динамические нагрузки могут учитывать такие факторы, как ударное воздействие, импульс, вибрация, гидродинамика жидкостей и усталость материала. Живые нагрузки, также иногда называемые вероятностными, включают в себя все силы, которые изменяются в течение нормального эксплуатационного цикла объекта, исключая нагрузки, возникающие при строительстве или от воздействия окружающей среды. Живые нагрузки на кровлю и перекрытия создаются при проведении работ по обслуживанию персоналом, оборудованием и материалами, а в процессе эксплуатации – перемещаемыми объектами, такими как вазоны и люди. Живые нагрузки на мостах вызываются движением транспортных средств по проезжей части моста.
Комбинации нагрузок
Комбинация нагрузок возникает, когда на конструкцию действует более одного типа нагрузки. Строительные нормы обычно предусматривают различные комбинации нагрузок вместе с коэффициентами нагрузки (весовыми коэффициентами) для каждого типа нагрузки, чтобы обеспечить безопасность конструкции при различных сценариях максимальных ожидаемых нагрузок. Например, при проектировании лестницы коэффициент для постоянной нагрузки может быть в 1,2 раза больше веса конструкции, а коэффициент для временной нагрузки – в 1,6 раза больше максимальной ожидаемой временной нагрузки. Эти две "расчетные нагрузки" комбинируются (суммируются) для определения "необходимой прочности" лестницы. Величина коэффициента нагрузки основана на вероятности превышения любой заданной расчетной нагрузки. Постоянные нагрузки имеют небольшие коэффициенты нагрузки, такие как 1,2, поскольку вес в основном известен и учтен, например, несущие конструкции, архитектурные элементы и отделка, крупное механическое, электрическое и сантехническое оборудование (MEP), а для зданий обычно включают дополнительную постоянную нагрузку (SIDL) около 5 фунтов на квадратный фут (psf), учитывающую различные веса, такие как болты и другие крепежные элементы, кабели, различные приспособления или небольшие архитектурные элементы. Временные нагрузки, с другой стороны, могут быть мебелью, перемещаемым оборудованием или самими людьми, и могут увеличиваться сверх нормальных или ожидаемых значений в некоторых ситуациях, поэтому более высокий коэффициент 1,6 призван учесть эту дополнительную изменчивость. Снег также будет использовать максимальный коэффициент 1,6, в то время как горизонтальные нагрузки (землетрясения и ветер) определяются таким образом, что практичным является коэффициент нагрузки 1,0. Несколько нагрузок могут быть сложены вместе различными способами, например, 1.2*Dead + 1.0*Live + 1.0*Earthquake + 0.2*Snow, или 1.2*Dead + 1.6*(Snow, Live(крыша) ИЛИ Rain) + (1.0*Live ИЛИ 0.5*Wind).
Структурные нагрузки на самолет
Для воздушных судов нагрузки делятся на две основные категории: предельные и предельно допустимые нагрузки. Предельные нагрузки – это максимальные нагрузки, которые компонент или конструкция могут безопасно выдерживать. Предельно допустимые нагрузки – это предельные нагрузки, умноженные на коэффициент 1,5, или точка, после которой компонент или конструкция разрушится. Другие критически важные нагрузки включают нагрузки от давления (для герметизированных самолетов, летающих на большой высоте) и наземные нагрузки. Наземные нагрузки могут возникать из-за резкого торможения или маневрирования при рулении. Воздушные суда постоянно подвергаются циклическим нагрузкам. Эти циклические нагрузки могут вызывать усталость металла.